三极管的结构及工作原理.ppt

第二章 三极管及其基本放大电路 半导体三极管是最重要的半导体器件 是电子电路中的核心器件 被广泛应用到了各种电子线路中 是电子线路的灵魂 本章主要介绍双极性三极管的特点 基本放大电路 多级放大电路 2 1双极型半导体三极管 三极管是组成各种电子电路的核心器件 通过一定的制造工艺 将两个PN结结合在一起 是三极管具有放大作用 三极管的产生使PN结的应用发生了质的飞跃 2 1 1双极型三极管的基本结构类型和符号 双极型晶体管分有NPN型和PNP型 虽然它们外形各异 品种繁多 但它们的共同特征相同 都有三个分区 两个PN结和三个向外引出的电极 发射极e 发射结 集电结 基区 发射区 集电区 集电极c 基极b NPN型 PNP型 根据制造工艺和材料的不同 三极管分有双极型和单极型两种类型 若三极管内部的自由电子载流子和空穴载流子同时参与导电 就是所谓的双极型 如果只有一种载流子参与导电 即为单极型 NPN型三极管图符号 大功率低频三极管 小功率高频三极管 中功率低频三极管 e c b PNP型三极管图符号 e c b 注意 图中箭头方向为发射极电流的方向 2 1 2双极型三极管的电流分配关系及放大作用 晶体管芯结构剖面图 e发射极 集电区N 基区P 发射区N b基极 c集电极 晶体管实现电流放大作用的内部结构条件 1 发射区掺杂浓度很高 以便有足够的载流子供 发射 2 为减少载流子在基区的复合机会 基区做得很薄 一般为几个微米 且掺杂浓度极低 3 集电区体积较大 且为了顺利收集边缘载流子 掺杂浓度界于发射极和基极之间 可见 双极型三极管并非是两个PN结的简单组合 而是利用一定的掺杂工艺制作而成 因此 绝不能用两个二极管来代替 使用时也决不允许把发射极和集电极接反 晶体管实现电流放大作用的外部条件 1 发射结必须 正向偏置 以利于发射区电子的扩散 扩散电流即发射极电流ie 扩散电子的少数与基区空穴复合 形成基极电流ib 多数继续向集电结边缘扩散 2 集电结必须 反向偏置 以利于收集扩散到集电结边缘的多数扩散电子 收集到集电区的电子形成集电极电流ic IE IC IB 整个过程中 发射区向基区发射的电子数等于基区复合掉的电子与集电区收集的电子数之和 即 IE IB IC 结论 由于发射结处正偏 发射区的多数载流子自由电子将不断扩散到基区 并不断从电源补充进电子 形成发射极电流IE 回顾与总结 1 发射区向基区扩散电子的过程 由于基区很薄 且多数载流子浓度又很低 所以从发射极扩散过来的电子只有很少一部分和基区的空穴相复合形成基极电流IB 剩下的绝大部分电子则都扩散到了集电结边缘 2 电子在基区的扩散和复合过程 集电结由于反偏 可将从发射区扩散到基区并到达集电区边缘的电子拉入集电区 从而形成较大的集电极电流IC 3 集电区收集电子的过程 只要符合三极管发射区高掺杂 基区掺杂浓度很低 集电区的掺杂浓度介于发射区和基区之间 且基区做得很薄的内部条件 再加上晶体管的发射结正偏 集电结反偏的外部条件 三极管就具有了放大电流的能力 三极管的集电极电流IC稍小于IE 但远大于IB IC与IB的比值在一定范围内基本保持不变 特别是基极电流有微小的变化时 集电极电流将发生较大的变化 例如 IB由40 A增加到50 A时 IC将从3 2mA增大到4mA 即 显然 双极型三极管具有电流放大能力 式中的 值称为三极管的电流放大倍数 不同型号 不同类型和用途的三极管 值的差异较大 大多数三极管的 值通常在几十至几百的范围 由此可得 微小的基极电流IB可以控制较大的集电极电流IC 故双极型三极管属于电流控制器件 2 1 3双极型三极管的特性曲线 所谓伏安特性曲线是指各极电压与电流之间的关系曲线 是三极管内部载流子运动的外部表现 从工程应用角度来看 外部特性更为重要 1 输入特性曲线 以常用的共射极放大电路为例说明 UCE为常数时 IB和UBE之间的关系 UCE 0V 令UBB从0开始增加 令UCC为0 UCE 0时的输入特性曲线 UCE为0时 令UBB重新从0开始增加 增大UCC 让UCE 0 5V UCE 1V UCE 0 5V UCE 0 5V的特性曲线 继续增大UCC 让UCE 1V 令UBB重新从0开始增加 UCE 1V UCE 1V的特性曲线 继续增大UCC使UCE 1V以上的多个值 结果发现 之后的所有输入特性几乎都与UCE 1V的特性相同 曲线基本不再变化 实用中三极管的UCE值一般都超过1V 所以其输入特性通常采用UCE 1V时的曲线 从特性曲线可看出 双极型三极管的输入特性与二极管的正向特性非常相似 UCE 1V的特性曲线 2 输出特性曲线 先把IB调到某一固定值保持不变 当IB不变时 输出回路中的电流IC与管子输出端电压UCE之间的关系曲线称为输出特性 然后调节UCC使UCE从0增大 观察毫安表中IC的变化并记录下来 根据记录可给出IC随UCE变化的伏安特性曲线 此曲线就是晶体管的输出特性曲线 IB 0 再调节IB1至另一稍小的固定值上保持不变 仍然调节UCC使UCE从0增大 继续观察毫安表中IC的变化并记录下来 根据电压 电流的记录值可绘出另一条IC随UCE变化的伏安特性曲线 此曲线较前面的稍低些 IB1 IB2 IB3 IB 0 如此不断重复上述过程 我们即可得到不同基极电流IB对应相应IC UCE数值的一组输出特性曲线 输出曲线开始部分很陡 说明IC随UCE的增加而急剧增大 当UCE增至一定数值时 一般小于1V 输出特性曲线变得平坦 表明IC基本上不再随UCE而变化 当IB一定时 从发射区扩散到基区的电子数大致一定 当UCE超过1V以后 这些电子的绝大部分被拉入集电区而形成集电极电流IC 之后即使UCE继续增大 集电极电流IC也不会再有明显的增加 具有恒流特性 当IB增大时 相应IC也增大 输出特性曲线上移 且IC增大的幅度比对应IB大得多 这一点正是晶体管的电流放大作用 从输出特性曲线可求出三极管的电流放大系数 取任意再两条特性曲线上的平坦段 读出其基极电流之差 再读出这两条曲线对应的集电极电流之差 IC 1 3mA IC 于是我们可得到三极管的电流放大倍数 IC IB 1 3 0 04 32 5 输出特性曲线上一般可分为三个区 饱和区 当发射结和集电结均为正向偏置时 三极管处于饱和状态 此时集电极电流IC与基极电流IB之间不再成比例关系 IB的变化对IC的影响很小 截止区 当基极电流IB等于0时 晶体管处于截止状态 实际上当发射结电压处在正向死区范围时 晶体管就已经截止 为让其可靠截止 常使UBE小于和等于零 放大区 晶体管工作在放大状态时 发射结正偏 集电结反偏 在放大区 集电极电流与基极电流之间成 倍的数量关系 即晶体管在放大区时具有电流放大作用 此时UCE小于UBE 规定 UCE UBE时 为临近饱和状态 用UCES 0 3或0 1 表示 此时集电极临近饱和电流是 管子深度饱和时 硅管的VCE约为0 3V 锗管约为0 1V 由于深度饱和时VCE约等于0 晶体管在电路中犹如一个闭合的开关 例1 用直流电压表测得放大电路中晶体管T1各电极的对地电位分别为V1 10V V2 0V V3 0 7V 如图 a 所示 T2管各电极电位V1 0V V2 0 3V V3 5V 如图 b 所示 试判断T1和T2各是何类型 何材料的管子 x y z各是何电极 解 工作在放大区的NPN型晶体管应满足VC VB VE PNP型晶体管应满足VC VB VE 因此分析时 先找出三电极的最高或最低电位 确定为集电极 而电位差为导通电压的就是发射极和基极 根据发射极和基极的电位差值判断管子的材质 1 在图 a 中 3与2的电压为0 7V 可确定为硅管 因为V1 V3 V2 所以1为集电极 2为发射极 3为基极 满足VC VB VE 的关系 管子为NPN型 2 在图 b 中 1与2的电压为0 3V 可确定为锗管 又因V3 V2 V1 所以3为集电极 1为发射极 2为基极 满足VC VB VE的关系 管子为PNP型 V1 10V V2 0V V3 0 7V V1 0V V2 0 3V V3 5V 例2图所示的电路中 晶体管均为硅管 30 试分析各晶体管的工作状态 解 1 因为基极偏置电源 6V大于管子的导通电压 故管子的发射结正偏 管子导通 基极电流 2 因为基极偏置电源 2V小于管子的导通电压 管子的发射结反偏 管子截止 所以管子工作在截止区 3 因为基极偏置电源 2V大于管子的导通电压 故管子的发射结正偏 管子导通基极电流 2 1 4三极管的主要参数 1 电流放大倍数 2 极限参数 集电极最大允许电流ICM 反向击穿电压U BR CEO UCC U BR CEO 基极开路 指基极开路时集电极与发射极间的反向击穿电压 使用中若超过此值 晶体管的集电结就会出现击穿 值的大小反映了晶体管的电流放大能力 IC ICM时 晶体管不一定烧损 但 值明显下降 集电极最大允许功耗PCM 晶体管上的功耗超过PCM 管子将损坏 安全区 3 极间电流 集电极 发射极反向饱和电流ICEO 穿透电流 指基极开路时 集电极与发射极之间加一定反向电压时的集电极电流 该值越小越好 集电极反向饱和电流ICBO 是少数载流子运动的结果 其值越小越好 4 温度对晶体管参数的影响 见书的27页 晶体管的发射极和集电极是不能互换使用的 因为发射区和集电区的掺杂质浓度差别较大 如果把两个极互换使用 则严重影响晶体管的电流放大能力 甚至造成放大能力丧失 晶体管在输出特性曲线的饱和区工作时 UCE UBE 集电结也处于正偏 这时内电场被大大削弱 因此极不利于集电区收集从发射区到达集电结边缘的电子 这种情况下 集电极电流IC与基极电流IB不再是 倍的关系 因此 晶体管的电流放大能力大大下降 学习与讨论 为了使发射区扩散电子的绝大多数无法在基区和空穴复合 由于基区掺杂深度很低且很薄 因此只能有极小一部分扩散电子与基区空穴相复合形成基极电流 剩余大部分扩散电子继续向集电结扩散 由于集成电结反偏 这些集结到集电结边缘的自由电子被集电极收集后形成集电极电流 用万用表测试二极管好坏及极性的方法 用万用表欧姆档检查二极管是否存在单向导电性 并判别其极性 正向导通电阻很小 指针偏转大 反向阻断时电阻很大 指针基本不动 选择万用表R 1k的欧姆档 其中黑表棒作为电源正极 红表棒作为电源负极 根据二极管正向导通 反向阻断的单向导电性将表棒对调一次即可测出其极性及好坏 如何判断二级管的正负极呢 用万用表测试三极管好坏及极性的方法 用指针式万用表检测三极管的基极和管型 指针不动 说明管子反偏截止 因此为NPN型 先将万用表置于R lk欧姆档 将红表棒接假定的基极B 黑表棒分别与另两个极相接触 观测到指针不动 或近满偏 时 则假定的基极是正确的 且晶体管类型为NPN型 或PNP型 如果把红黑两表棒对调后 指针仍不动 或仍偏转 则说明管子已经老化 或已被击穿 损坏 想一想 这种检测方法依据的是什么 指针偏转 说明管子正向导通 因此为PNP型 PN结的单向导电性 若被测管为NPN三极管 让黑表棒接假定的集电极C 红表棒接假定的发射极E 两手分别捏住B C两极充当基极电阻RB 两手不能相接触 注意观察电表指针偏转的大小 之后 再将两检测极反过来假定 仍然注意观察电表指针偏转的大小 c b e 人体电阻 c b e 人体电阻 假定极正确 假定极错误 用万用表R 1k欧姆档判别发射极E和集电极C 偏转较大的假定极是正确的 偏转小的反映其放大能力下降 即集电极和发射极接反了 如果两次检测时电阻相差不大 则说明管子的性能较差 1 三极管起电流放大作用 其内部 外部条件分别要满足哪些 你会做吗 检验学习结果 2 使用三极管时 只要 集电极电流超过ICM值 耗散功率超过PCM值 集 射极电压超过U BR CEO值 三极管就必然损坏 上述说法哪个是对的 3 用万用表测量某些三极管的管压降得到下列几组数据 说明每个管子是NPN型还是PNP型 是硅管还是锗管 它们各工作在什么区域 UBE 0 7V UCE 0 3V UBE 0 7V UCE 4V UBE 0V UCE 4V UBE 0 2V UCE 0 3V UBE 0V UCE 4V NPN硅管 饱和区 NPN硅管 放大区 NPN硅管 截止区 PNP锗管 饱和区 PNP锗管 截止区 2 2放大电路基本组成 1 5单极型三极管 双极型三极管是利用基极小电流去控制集电极较大电流的电流控制型器件 因工作时两种载流子同时参与导电而称之为双极型 单极型三极管因工作时只有多数载流子一种载流子参与导电 因此称为单极型三极管 单极型三极管是利用输入电压产生的电场效应控制输出电流的电压控制型器件 上图所示为单极型三极管产品实物图 单极型管可分为结型和绝缘栅型两大类 其中绝缘栅型场效应管应用最为广泛 其中又分增强型和耗尽型两类 且各有N沟道和P沟道之分 1 MOS管的基本结构 N N 以P型硅为衬底 二氧化硅 SiO2 绝缘保护层 两端扩散出两个高浓度的N区 N区与P型衬底之间形成两个PN结 由衬底引出电极B 由高浓度的N区引出的源极S 由另一高浓度N区引出的漏极D 由二氧化硅层表面直接引出栅极G 杂质浓度较低 电阻率较高 大多数管子的衬底在出厂前已和源极连在一起 铝电极 金属 Metal 二氧化硅氧化物 Oxide 半导体 Semiconductor 故单极型三极管又称为MOS管 MOS管电路的连接形式 漏极与源极间电源UDS 栅极与源极间电源UGS 如果衬底在出厂前未连接到源极上 则要根据电路具体情况正确连接 一般P型硅衬底应接低电位 N型硅衬底应接高电位 由导电沟道的不同而异 不同类型MOS管的电路图符号 由图可看出 衬底的箭头方向表明了场效应管是N沟道还是P沟道 箭头向里是N沟道 箭头向外是P沟道 虚线表示增强型 实线表示耗尽型 2 工作原理 以增强型NMOS管为例说明其工作原理 N沟道增强型MOS管不存在原始导电沟道 当栅源极间电压UGS 0时 增强型MOS管的漏极和源极之间相当于存在两个背靠背的PN结 不存在原始沟道 UDS UGS 0 此时无论UDS是否为0 也无论其极性如何 总有一个PN结处于反偏状态 因此MOS管不导通 ID 0 MOS管处于截止区 P ID 0 怎样才能产生导电沟道呢 在栅极和衬底间加UGS且与源极连在一起 由于二氧化硅绝缘层的存在 电流不能通过栅极 但金属栅极被充电 因此聚集大量正电荷 UDS 0 UGS 电场力排斥空穴 二氧化硅层在UGS作用下被充电而产生电场 形成耗尽层 出现反型层形成导电沟道 电场吸引电子 导电沟道形成时 对应的栅源间电压UGS UT称为开启电压 UT 当UGS UT UDS 0且较小时 UDS UGS ID 当UGS继续增大 UDS仍然很小且不变时 ID随着UGS的增大而增大 此时增大UDS 导电沟道出现梯度 ID又将随着UDS的增大而增大 直到UGD UGS UDS UT时 相当于UDS增加使漏极沟道缩减到导电沟道刚刚开启的情况 称为预夹断 ID基本饱和 导电沟道加厚产生漏极电流 如果继续增大UDS 使UGD UT时 沟道夹断区延长 ID达到最大且恒定 管子将从放大区跳出而进入饱和区 沟道出现预夹断时工作在放大状态 放大区ID几乎与UDS的变化无关 只受UGS的控制 即MOS管是利用栅源电压UGS来控制漏极电流ID大小的一种电压控制器件 MOS管的工作过程可参看下面动画演示 3 MOS管使用注意事项 1 MOS管中 有的产品将衬底引出 形成四个管脚 使用者可视电路需要进行连接 P衬底接低电位 N衬底接高电位 但当源极电位很高或很低时 可将源极与衬底连在一起 2 场效应管的漏极与源极通常可以互换 且不会对伏安特性曲线产生明显影响 注意 大多产品出厂时已将源极与衬底连在一起了 这时源极与漏极就不能再进行对调使用 3 MOS管不使用时 由于它的输入电阻非常高 须将各电极短路 以免受外电场作用时使管子损坏 即MOS管在不使用时应避免栅极悬空 务必将各电极短接 4 焊接MOS管时 电烙铁须有外接地线 用来屏蔽交流电场 以防止损坏管子 特别是焊接绝缘栅场效应管时 最好断电后再焊接 单极型晶体管和双极型晶体管的性能比较 1 场效应管的源极S 栅极G 漏极D分别对应于双极型晶体管的发射极e 基极b 集电极c 它们的作用相似 2 场效应管是电压控制电流器件 场效应管栅极基本上不取电流 而双极型晶体管工作时基极总要取一定的电流 所以在只允许从信号源取极小量电流的情况下 应该选用场效应管 而在允许取一定量电流时 选用双极型晶体管进行放大可以得到比场效应管较高的电压放大倍数 3 场效应管是多子导电 而双极型晶体管则是既利用多子 又利用少子 由于少子的浓度易受温度 辐射等外界条件的影响 因而场效应管比晶体管的温度稳定性好 抗辐射能力强 在环境条件 温度等 变化比较剧烈的情况下 选用场效应管比较合适 4 场效应管的源极和衬底未连在一起时 源极和漏极可以互换使用 耗尽型绝缘栅型管的栅极电压可正可负 灵活性比晶体